Oʻta oʻtkazuvchanlik hodisasi nima? Supero'tkazuvchanlik - nol elektr qarshiligi va o'ta o'tkazgichlar deb ataladigan ma'lum materiallarda xarakterli kritik haroratdan pastroq sovutilganda paydo bo'ladigan magnit oqim maydonlarining chiqishi bilan hodisa.
Hodisa 1911-yil 8-aprelda Leyden shahrida golland fizigi Xayke Kamerling-Onnes tomonidan kashf etilgan. Ferromagnetizm va atom spektral chiziqlari singari, o'ta o'tkazuvchanlik ham kvant-mexanik hodisadir. U Meysner effekti bilan tavsiflanadi - o'ta o'tkazgichning o'ta o'tkazuvchanlik holatiga o'tishi paytida uning ichidan magnit maydon chiziqlarining to'liq chiqarilishi.
Bu oʻta oʻtkazuvchanlik hodisasining mohiyati. Meysner effektining paydo bo'lishi shuni ko'rsatadiki, o'ta o'tkazuvchanlikni klassik fizikada ideal o'tkazuvchanlikning idealizatsiyasi sifatida tushunish mumkin emas.
Oʻta oʻtkazuvchanlik hodisasi nima
Metal o'tkazgichning elektr qarshiligi asta-sekin kamayadiharoratni pasaytirish. Mis yoki kumush kabi umumiy o'tkazgichlarda bu pasayish aralashmalar va boshqa nuqsonlar bilan cheklanadi. Mutlaq nolga yaqin bo'lsa ham, oddiy o'tkazgichning haqiqiy namunasi biroz qarshilik ko'rsatadi. Supero'tkazgichda material kritik harorat ostida sovutilganda qarshilik keskin nolga tushadi. Supero'tkazuvchi simning halqasi orqali elektr tokini quvvat manbaisiz cheksiz saqlash mumkin. Bu o'ta o'tkazuvchanlik hodisasi nima degan savolga javob.
Tarix
1911-yilda materiyaning juda past haroratlarda xossalarini oʻrganar ekan, golland fizigi Xayke Kamerling Onnes va uning jamoasi simobning elektr qarshiligi 4,2 K (-269°C) dan pastga tushib, nolga tushishini aniqladi. Bu supero'tkazuvchanlik hodisasining birinchi kuzatuvi edi. Ko'pgina kimyoviy elementlar etarlicha past haroratlarda o'ta o'tkazuvchan bo'ladi.
Ma'lum bir kritik haroratdan pastroqda, materiallar ikkita asosiy xususiyat bilan tavsiflangan o'ta o'tkazuvchanlik holatiga o'tadi: birinchidan, ular elektr tokining o'tishiga qarshilik ko'rsatmaydi. Qarshilik nolga tushganda, oqim energiya sarflanmasdan material ichida aylanishi mumkin.
Ikkinchidan, agar ular yetarlicha kuchsiz boʻlsa, tashqi magnit maydonlar oʻta oʻtkazgichga kirmaydi, balki uning yuzasida qoladi. Bu maydonni haydash hodisasi birinchi marta 1933 yilda fizik tomonidan kuzatilganidan keyin Meissner effekti sifatida tanildi.
Uch ism, uchta harf va toʻliq boʻlmagan nazariya
Oddiy fizika adekvat bermaydio'ta o'tkazuvchanlik holatining tushuntirishlari, shuningdek, elektronlarning harakatini kristall panjaradagi ionlarning harakatidan alohida ko'rib chiqadigan qattiq holatning elementar kvant nazariyasi.
Faqat 1957 yilda uch amerikalik tadqiqotchi - Jon Bardin, Leon Kuper va Jon Shriffer o'ta o'tkazuvchanlikning mikroskopik nazariyasini yaratdilar. Ularning BCS nazariyasiga ko'ra, elektronlar panjara tebranishlari ("fononlar" deb ataladi) bilan o'zaro ta'sir qilish orqali juft bo'lib to'planib, qattiq jism ichida ishqalanishsiz harakatlanadigan Kuper juftlarini hosil qiladi. Qattiq jismni elektronlar bulutiga botgan musbat ionlar panjarasi sifatida qarash mumkin. Elektron bu panjaradan o'tganda, ionlar elektronning manfiy zaryadiga tortilib, biroz harakatlanadi. Bu harakat elektr musbat mintaqa hosil qiladi va bu oʻz navbatida boshqa elektronni oʻziga tortadi.
Elektron o'zaro ta'sirning energiyasi juda zaif va bug'lar issiqlik energiyasi bilan osongina parchalanishi mumkin - shuning uchun o'ta o'tkazuvchanlik odatda juda past haroratlarda sodir bo'ladi. Biroq, BCS nazariyasi 80 K (-193 ° C) va undan yuqori haroratda yuqori haroratli supero'tkazgichlarning mavjudligini tushuntirmaydi, buning uchun boshqa elektron bog'lash mexanizmlari ishtirok etishi kerak. O'ta o'tkazuvchanlik hodisasini qo'llash yuqoridagi jarayonga asoslanadi.
Harorat
1986 yilda ba'zi kuprat-perovskit keramika materiallari 90 K (-183 °C) dan yuqori kritik haroratga ega ekanligi aniqlandi. Bu yuqori ulanish harorati nazariy jihatdanan'anaviy supero'tkazgich uchun imkonsiz, bu esa materiallarning yuqori haroratli supero'tkazgichlar deb nomlanishiga olib keladi. Mavjud sovutuvchi suyuq azot 77 K haroratda qaynaydi va shuning uchun undan yuqori haroratlarda o'ta o'tkazuvchanlik ko'plab tajribalar va past haroratlarda kamroq amaliy bo'lgan ilovalarni osonlashtiradi. Bu o'ta o'tkazuvchanlik hodisasi qaysi haroratda sodir bo'ladi degan savolga javob.
Tasnifi
Supero'tkazgichlarni bir nechta mezonlarga ko'ra tasniflash mumkin, ular bizning ularning fizik xususiyatlariga qiziqishimiz, ular haqidagi tushunchamiz, ularni sovutish qanchalik qimmat ekanligi yoki ular tayyorlangan materialga bog'liq.
Magnit xususiyatlariga koʻra
I-toifa supero'tkazgichlar: faqat bitta kritik maydonga ega bo'lgan Hc va unga erishilganda bir holatdan ikkinchi holatga keskin o'tadiganlar.
II turdagi supero'tkazgichlar: ikkita kritik maydonga ega bo'lgan Hc1 va Hc2, pastki kritik maydon (Hc1) ostida mukammal o'ta o'tkazgichlar va yuqori kritik maydon (Hc2) ustidagi o'ta o'tkazuvchanlik holatini butunlay tark etadilar, ular orasida aralash holatda bo'ladilar. muhim maydonlar.
Biz ular haqida tushunganimizdek
Oddiy oʻta oʻtkazgichlar: BCS nazariyasi yoki tegishli nazariyalar bilan toʻliq tushuntirilishi mumkin boʻlganlar.
Noan'anaviy supero'tkazgichlar: bunday nazariyalar yordamida tushuntirib bo'lmaydiganlar, masalan: og'ir fermioniksupero'tkazgichlar.
Bu mezon muhim, chunki BCS nazariyasi 1957-yildan beri anʼanaviy oʻta oʻtkazgichlarning xususiyatlarini tushuntirib keladi, biroq boshqa tomondan, mutlaqo noanʼanaviy oʻta oʻtkazgichlarni tushuntirish uchun qoniqarli nazariya mavjud emas. Ko'pgina hollarda, I turdagi supero'tkazgichlar keng tarqalgan, biroq bir nechta istisnolar mavjud, masalan, niobiy ham keng tarqalgan, ham II turdagi.
Kritik harorat boʻyicha
Past haroratli oʻta oʻtkazgichlar yoki LTS: kritik harorati 30 K dan past boʻlganlar.
Yuqori haroratli oʻta oʻtkazgichlar yoki HTS: kritik harorati 30 K dan yuqori boʻlganlar. Hozirda baʼzilari namunani suyuq azot (qaynoq nuqtasi 77 K) bilan sovutishimiz mumkinligini taʼkidlash uchun ajratish sifatida 77 K dan foydalanadi. suyuq geliyga qaraganda ancha mumkin (past haroratli o'ta o'tkazgichlarni ishlab chiqarish uchun zarur bo'lgan haroratga erishish uchun muqobil).
Boshqa tafsilotlar
Oʻta oʻtkazgich I turdagi boʻlishi mumkin, yaʼni u bitta kritik maydonga ega boʻlib, undan yuqorida barcha oʻta oʻtkazuvchanlik yoʻqoladi va undan pastda magnit maydon oʻta oʻtkazgichdan butunlay chiqarib tashlanadi. II toifa, ya'ni u ikkita muhim maydonga ega, ular orasidagi izolyatsiyalangan nuqtalar orqali magnit maydonning qisman kirib borishiga imkon beradi. Bu nuqtalar vorteks deb ataladi. Bundan tashqari, ko'p komponentli supero'tkazgichlarda ikkita xatti-harakatning kombinatsiyasi mumkin. Bunday holda, supero'tkazgich 1, 5 turdagi.
Xususiyatlar
Oʻta oʻtkazgichlarning fizik xususiyatlarining aksariyati materialdan materialga farq qiladi, masalan, issiqlik sigʻimi va kritik harorat, kritik maydon va oʻta oʻtkazuvchanlik parchalanadigan kritik oqim zichligi.
Boshqa tomondan, asosiy materialdan mustaqil bo'lgan xususiyatlar sinfi mavjud. Misol uchun, barcha supero'tkazgichlar past qo'llaniladigan oqimlarda, magnit maydon bo'lmaganda yoki qo'llaniladigan maydon kritik qiymatdan oshmasa, mutlaqo nolga teng qarshilikka ega.
Ushbu universal xususiyatlarning mavjudligi oʻta oʻtkazuvchanlikning termodinamik faza ekanligini va shuning uchun mikroskopik tafsilotlarga bogʻliq boʻlmagan maʼlum oʻziga xos xususiyatlarga ega ekanligini koʻrsatadi.
Supero'tkazgichda vaziyat boshqacha. Oddiy supero'tkazgichda elektron suyuqlikni alohida elektronlarga ajratib bo'lmaydi. Buning o'rniga, u Kuper juftlari deb nomlanuvchi bog'langan elektron juftlaridan iborat. Bu juftlanish fononlarning almashinuvi natijasida yuzaga keladigan elektronlar orasidagi jozibador kuch tufayli yuzaga keladi. Kvant mexanikasi tufayli Kuper juftining bu suyuqligining energiya spektri energiya bo'shlig'iga ega, ya'ni suyuqlikni qo'zg'atish uchun berilishi kerak bo'lgan DE energiyaning minimal miqdori mavjud.
Shuning uchun, agar DE kT tomonidan berilgan panjaraning issiqlik energiyasidan katta bo'lsa, bu erda k - Boltsman doimiysi va T - harorat, suyuqlik panjara tomonidan sochilmaydi. Shunday qilibShunday qilib, Kuper bug 'suyuqligi o'ta suyuqlikdir, ya'ni u energiyani yo'qotmasdan oqishi mumkin.
O'ta o'tkazuvchanlik xususiyatlari
Oʻta oʻtkazuvchan materiallarda oʻta oʻtkazuvchanlik koʻrsatkichlari T harorati kritik harorat Tc dan pastga tushganda paydo boʻladi. Ushbu kritik haroratning qiymati materialdan materialga farq qiladi. An'anaviy o'ta o'tkazgichlar odatda 20 K dan 1 K gacha bo'lgan kritik haroratga ega.
Masalan, qattiq simobning kritik harorati 4,2 K. 2015 yil holatiga koʻra, anʼanaviy oʻta oʻtkazgich uchun topilgan eng yuqori kritik harorat H2S uchun 203 K ni tashkil qiladi, garchi taxminan 90 gigapaskal yuqori bosim talab qilingan boʻlsa-da. Kuprat supero'tkazgichlari ancha yuqori kritik haroratga ega bo'lishi mumkin: birinchi kashf etilgan kuprat supero'tkazgichlardan biri YBa2Cu3O7, kritik harorat 92 K va simob asosidagi kritik haroratlari 130 K dan yuqori bo'lgan kupratlar topilgan. noma'lum.
Fonon almashinuvi tufayli elektron juftligi an'anaviy o'ta o'tkazgichlarda o'ta o'tkazuvchanlikni tushuntiradi, lekin juda yuqori kritik haroratga ega bo'lgan yangi supero'tkazgichlarda o'ta o'tkazuvchanlikni tushuntirmaydi.
Magnit maydonlar
Shunga oʻxshab, kritik haroratdan past boʻlgan belgilangan haroratda, oʻta oʻtkazuvchan materiallar oʻta oʻtkazuvchanlikni toʻxtatib, tashqi magnit maydondan kattaroq boʻlganida oʻta oʻtkazuvchanlikni toʻxtatadi.kritik magnit maydon. Buning sababi shundaki, o'ta o'tkazuvchan fazaning Gibbs bo'sh energiyasi magnit maydon bilan kvadratik ravishda ortadi, normal fazaning erkin energiyasi esa magnit maydondan taxminan mustaqildir.
Agar material maydon boʻlmaganda oʻta oʻtkazuvchan boʻlsa, u holda oʻta oʻtkazuvchan fazaning erkin energiyasi normal fazanikidan kamroq boʻladi va shuning uchun magnit maydonning baʼzi chekli qiymati uchun (kvadratga mutanosib). noldagi erkin energiyalar farqining ildizi), ikkita erkin energiya teng bo'ladi va normal fazaga fazali o'tish sodir bo'ladi. Umuman olganda, yuqori harorat va kuchli magnit maydon o'ta o'tkazuvchan elektronlarning kichikroq ulushiga olib keladi va shuning uchun tashqi magnit maydonlar va oqimlarning Londonga chuqurroq kirib borishiga olib keladi. Fazali o'tishda kirish chuqurligi cheksiz bo'ladi.
Jismoniy
O'ta o'tkazuvchanlikning boshlanishi turli fizik xususiyatlarning keskin o'zgarishi bilan birga keladi, bu fazaviy o'tishning belgisidir. Masalan, elektronning issiqlik sig'imi normal (o'ta o'tkazuvchan emas) rejimdagi haroratga proportsionaldir. Supero'tkazuvchi o'tishda u sakrashni boshdan kechiradi va shundan keyin u chiziqli bo'lishni to'xtatadi. Past haroratlarda u baʼzi doimiy a uchun e−a/T oʻrniga oʻzgaradi. Bu eksponensial xatti-harakatlar energiya bo'shlig'ining mavjudligini tasdiqlovchi dalillardan biridir.
Fazali oʻtish
Oʻta oʻtkazuvchanlik hodisasining izohi anchaginaaniq. Supero'tkazuvchilar fazaga o'tish tartibi uzoq vaqt davomida muhokama qilingan. Tajribalar shuni ko'rsatadiki, ikkinchi tartibli o'tish, ya'ni yashirin issiqlik mavjud emas. Biroq, tashqi magnit maydon mavjud bo'lganda, yashirin issiqlik mavjud, chunki o'ta o'tkazuvchanlik fazasi oddiy fazaga qaraganda kritik haroratdan pastroq entropiyaga ega.
Buni eksperimental ravishda ko'rsatdi: magnit maydon kuchayib, kritik maydondan tashqariga chiqqanda, natijada fazaga o'tish o'ta o'tkazuvchan materialning haroratining pasayishiga olib keladi. O'ta o'tkazuvchanlik hodisasi yuqorida qisqacha tavsiflangan edi, endi sizga ushbu muhim effektning nuanslari haqida nimadir aytib berish vaqti keldi.
1970-yillarda amalga oshirilgan hisob-kitoblar shuni ko'rsatdiki, u elektromagnit maydondagi uzoq masofali tebranishlarning ta'siri tufayli aslida birinchi tartibdan zaifroq bo'lishi mumkin. 1980-yillarda o'ta o'tkazgichli vorteks chiziqlari katta rol o'ynaydigan tartibsizlik maydoni nazariyasi yordamida nazariy jihatdan ko'rsatildi, o'tish II turdagi rejimda ikkinchi darajali va I turdagi rejimda birinchi tartib (ya'ni, yashirin issiqlik) va ikki mintaqa trikritik nuqta bilan ajratilgan.
Natijalar Monte-Karlodagi kompyuter simulyatsiyalari bilan tasdiqlangan. Bu o'ta o'tkazuvchanlik hodisasini o'rganishda muhim rol o'ynadi. Hozirda ish davom etmoqda. O'ta o'tkazuvchanlik hodisasining mohiyati to'liq tushunilmagan va zamonaviy fan nuqtai nazaridan tushuntirilmagan.
